【摘 要】介紹了區(qū)熔單晶的原理，列舉了硅多晶氣氛區(qū)熔基磷檢驗過程中電阻率和導(dǎo)電類型異常的幾情況，并對異常情況進(jìn)行原因分析，對實際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】硅多晶 氣氛區(qū)熔 電阻率 導(dǎo)電類型

一、前言

對于原生多晶硅材料，導(dǎo)電類型和電阻率是衡量材料性能的重要參數(shù)。在對導(dǎo)電類型、電阻率參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的測量之前，無論是我國國標(biāo)還是國際標(biāo)準(zhǔn)都有規(guī)定：鑒定多晶硅的質(zhì)量，首先需要把取樣的多晶硅棒在真空或氣氛下區(qū)熔成單晶，徹底消除晶界等因素對測量帶來的干擾，所以單晶質(zhì)量的好壞直接影響著電阻率數(shù)值的高低，從而影響對原生多晶硅的質(zhì)量判定，不能真實地反應(yīng)多晶硅硅料的質(zhì)量，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟損失。所以生長高質(zhì)量的檢測用單晶顯得非常重要。多晶硅氣氛區(qū)熔單晶的質(zhì)量除了與多晶硅硅料自身的雜質(zhì)濃度含量有關(guān)，還與晶體生長環(huán)境、外部引入的污染和晶體生長速率等有關(guān)。

二、區(qū)熔單晶生長原理

氣氛區(qū)熔法生長單晶，是在氣氛保護(hù)下，借助高頻感應(yīng)線圈加熱，在硅棒的一端產(chǎn)生一熔區(qū)，再熔接單晶籽晶，調(diào)節(jié)溫度使熔區(qū)自下而上地通過豎直放置的硅棒進(jìn)行提純及結(jié)晶，生長成一根單晶。提純作用取決于雜質(zhì)的分凝效應(yīng)，分凝效應(yīng)的衡量參數(shù)是分凝系數(shù)，平衡分凝系數(shù)（K0）表示在固液平衡時，固體中的雜質(zhì)濃度（Cs）和液體中的雜質(zhì)濃度（CL）的比值。有效分凝系數(shù)（Keff）在固-液交界面處，固相雜質(zhì)濃度CS與遠(yuǎn)離界面的熔體內(nèi)部的雜質(zhì)濃度CL0的比值?；讬z驗就是利用區(qū)熔時硅中硼磷雜質(zhì)有效分凝系數(shù)的差別，區(qū)熔后的單晶棒頭部雜質(zhì)濃度低、而尾部雜質(zhì)濃度高，電阻率當(dāng)然也就是頭部高而尾部低。主要雜質(zhì)的平衡分凝系數(shù)如表1所示。

三、氣氛區(qū)熔基磷檢驗單晶質(zhì)量異常的幾種情況

（一）區(qū)熔單晶縱向電阻率的分布曲線異常

多晶硅氣氛區(qū)熔基磷檢測檢測的電阻率為未扣除基硼補償?shù)幕纂娮杪?，目前用作太陽能電池的多晶硅，一般都是補償半導(dǎo)體材料，磷、硼含量通常在一個數(shù)量級，補償程度比較大，所以基磷檢驗的電阻率曲線分布趨勢是硅單晶中Ⅲ、Ⅴ 族雜質(zhì)相互補償后的體現(xiàn)，在檢測儀器和檢測方法正確的情況下，在氣氛區(qū)熔下，根據(jù)雜質(zhì)的分凝效應(yīng)，基磷檢驗的電阻率曲線分布趨勢應(yīng)呈現(xiàn)頭高尾低的趨勢，當(dāng)單晶的電阻率分布曲線異常時，說明區(qū)熔單晶的質(zhì)量存在異常。異常情況主要有：電阻率分布曲線呈現(xiàn)頭低尾高、電阻率沒有明顯的變化趨勢和電阻率分布曲線呈現(xiàn)中間高頭尾低。區(qū)熔單晶縱向電阻率分布曲線異常的主要原因有單晶棒受到污染和晶體生長工藝的影響。

1.污染的主要來源

（1）裝爐過程中引入污染。在區(qū)熔的過程上料和調(diào)節(jié)硅棒與加熱線圈對正的過程中，操作者的手都會與硅棒的頭部接觸，雖然操作者整個過程中都佩戴著潔凈手套，但是手套本身的材質(zhì)及佩戴使用不規(guī)范都會帶來污染。

（2）預(yù)熱過程中引入的污染。在晶體生長預(yù)熱的過程中，隨著預(yù)熱功率不斷的提高，石墨預(yù)熱叉的溫度逐漸升高，當(dāng)預(yù)熱叉達(dá)到一定的溫度后，叉內(nèi)的雜質(zhì)會向外揮發(fā)，若不能由氬氣及時抽走，必然會對硅棒頭部造成污染。

（3）多晶硅硅棒腐蝕清洗過程中引入的污染。當(dāng)樣棒表面存在微小裂紋時，在進(jìn)行腐蝕清洗的過程中，清洗液會殘留在裂紋中，隨著區(qū)熔過程進(jìn)入晶體。

2.晶體生長工藝的影響

在區(qū)熔的過程中，由于生長速率、雜質(zhì)濃度等在整個結(jié)晶過程中總是有變化的，所以有效分凝系數(shù)不可能固定不變的，當(dāng)固-液界面處溫度梯度越大，晶體生長速度就越快，雜質(zhì)的有效分凝系數(shù)就越大，分凝效果就越差，越不有利于提純；結(jié)晶速度太慢時，又回到了平衡分凝的情況。所以在生產(chǎn)過程中，控制合理的結(jié)晶速度非常重要。

（二）區(qū)熔單晶導(dǎo)電類型異常

硅單晶的導(dǎo)電過程存在電子和空穴兩種載流子。多數(shù)載流子是電子的稱n型硅單晶；多數(shù)載流子是空穴的稱p型硅單晶。導(dǎo)電類型檢測設(shè)備和方法相對比較簡單，一般導(dǎo)電類型出現(xiàn)異常，主要是晶體生長工藝問題。氣氛區(qū)熔基磷檢驗導(dǎo)電類型異常主要是反型，主要表現(xiàn)為整根單晶為P型、混合型。

1.P型單晶原因分析

一般多晶硅廠家生產(chǎn)的硅料基本都是N型，但當(dāng)整根單晶導(dǎo)電類型檢測為P型時，硅單晶中的施主雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于受主雜質(zhì)濃度，根據(jù)雜質(zhì)的分凝效應(yīng)可知，在氣氛區(qū)熔的條件下，硼雜質(zhì)的有效分凝系數(shù)為0.9，硼在單晶中的基本上是均勻的分布，所以出現(xiàn)這種問題主要是因為沉積多晶硅中施主雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于受主雜質(zhì)濃度，而且這種情況一般伴隨著電阻率曲線頭低尾高。

2.混合型單晶原因分析

（1）區(qū)熔單晶基磷檢驗單晶棒出現(xiàn)混合型一般常見的是頭部反型，頭部反型主要是因為多晶硅中硼、磷雜質(zhì)含量比較接近，由于硼、磷雜質(zhì)分凝系數(shù)的差異，在區(qū)熔的過程中出現(xiàn)頭部一定范圍區(qū)域檢測為P型，頭部反型還有可能是頭部受到受主雜質(zhì)的污染。

（2）區(qū)熔單晶基磷檢驗單晶棒尾部反型比較少見，其主要是因為尾部受主雜質(zhì)含量比較高，施主雜質(zhì)揮發(fā)所致。

四、結(jié)論

硅多晶氣氛區(qū)熔基磷檢驗電阻率異常問題主要表現(xiàn)在電阻率分布曲線呈現(xiàn)頭低尾高、電阻率沒有明顯的變化趨勢和電阻率分布曲線呈現(xiàn)中間高頭尾低。出現(xiàn)異常的主要原因有單晶棒受到污染和晶體生長工藝的影響。

硅多晶氣氛區(qū)熔基磷檢驗導(dǎo)電類型異常問題主要是反型，主要表現(xiàn)為整根單晶為P型、混合型。整根P型主要是因為沉積多晶硅中施主雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于受主雜質(zhì)濃度；頭部反型主要是因為多晶硅中硼、磷雜質(zhì)含量比較接近或者頭部受到受主雜質(zhì)的污染；尾部反型主要原因是尾部受主雜質(zhì)含量比較高，施主雜質(zhì)揮發(fā)所致。

參考文獻(xiàn)：

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